Круговорот углерода: вечное странствие самого важного элемента планеты

По информации онлайн-журнала об энергетике «Энергия+», современные технологии улавливания и хранения углерода (CCS) уже позволяют ежегодно захоранивать десятки миллионов тонн CO₂, а к 2030 году объем может превысить 1 млрд тонн в год.

Углерод – единственный химический элемент, который одновременно является основой жизни, главный компонент ископаемого топлива и один из ключевых факторов изменения климата. Он не знает покоя: за доли секунды может перейти из атмосферы в лист дерева, за годы – из растения в тело животного, а за миллионы лет – из живых организмов в залежи угля и нефти. И обратно.

Из атмосферы – в живую клетку  

Все начинается с обычной молекулы углекислого газа, парящей в воздухе. Под действием солнечного света и зеленого пигмента хлорофилла она проникает в лист растения. Здесь происходит, пожалуй, самое удивительное превращение в природе: из «кислого» и неорганического CO₂ углерод становится частью «сладкой» молекулы глюкозы.

Этот процесс называется фотосинтезом. Каждый год растения, водоросли и цианобактерии Земли связывают около 120 млрд тонн углерода, создавая практически всю органическую материю планеты.

По пищевым цепочкам – от растения к животному  

Глюкоза, в которую превратился наш углерод, может пойти по разным путям. Часть сразу расходуется самим растением на дыхание и снова возвращается в атмосферу в виде CO₂. Другая часть превращается в клетчатку, крахмал, белки и жиры.

Когда травоядное животное съедает растение, углерод продолжает путешествие. В кишечнике с помощью бактерий сложные углеводы снова расщепляются до простых сахаров. Далее по кровотоку он разносится по всему организму.

В митохондриях – энергетических станциях клетки – часть молекул глюкозы «сгорает», высвобождая энергию для движения, роста, мышления. При этом снова образуются вода и углекислый газ, который животное выдыхает.

Смерть и новое рождение  

После гибели организма углерод не исчезает. Если тело попадает в условия с достаточным количеством кислорода, оно быстро разлагается, и почти весь углерод возвращается в атмосферу в виде CO₂.

Но иногда история складывается иначе. В болотах, на дне древних морей и озер, куда почти не проникает кислород, органические остатки медленно погребаются под слоями осадков. Давление растет, температура повышается. За миллионы лет под воздействием этих факторов углеродсодержащие вещества превращаются в торф, бурый уголь, каменный уголь, нефть и природный газ.

Так большая часть углерода, когда-то входившего в состав живых организмов, оказывается заперта в земной коре на десятки и сотни миллионов лет.

Эра человека: ускоренный круговорот  

С началом промышленной революции человечество начало активно вытаскивать этот древний углерод на поверхность. За каких-то 200 лет мы сожгли столько ископаемого топлива, что концентрация CO₂ в атмосфере выросла на 50 % – с 280 до более 420 частей на миллион.

Каждая тонна угля, каждый баррель нефти, каждый кубометр газа – это углерод, который миллионы лет был надежно спрятан под землей, а теперь снова оказался в атмосфере, усиливая парниковый эффект.

Новые технологии возвращают углерод домой  

Однако человек научился не только извлекать, но и возвращать. Современные технологии улавливания и хранения углерода (CCS – CarbonCaptureandStorage) позволяют отбирать CO₂ прямо на электростанциях, цементных и химических заводах и даже прямо из воздуха (технология DAC).

Захваченный углекислый газ сжимают до жидкого состояния и закачивают в глубокие геологические формации – истощенные нефтяные и газовые месторождения, соленые водоносные пласты или базальтовые породы, где он минерализуется, превращаясь в камень.

Сегодня в мире работает более 40 крупных проектов CCS, еще сотни находятся в стадии строительства и проектирования. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2050 году для достижения углеродной нейтральности потребуется улавливать и хранить до 7-10 млрд тонн CO₂ ежегодно.

Бесконечный цикл  

Таким образом, путешествие атома углерода продолжается. Сегодня он может быть частью молекулы CO₂ в атмосфере, завтра – войти в состав листа тропического дерева, через год – оказаться в теле антилопы в саванне, через тысячу лет – осесть в виде известняка на дне океана, а через миллионы – снова вернуться в атмосферу при сжигании нефти.

Человечество лишь ускорило этот вечный круговорот, но не смогло его прервать.